Википедија

Hidroliza

Hidroliza je hemijska reakcija koja se zasniva na raspadu molekula hemijskih jedinjenja na dva manja fragmenta pod uticajem kontakta sa vodom ili vodenom parom. Termin se široko koristi za reakcije supstitucije, eliminacije i solvatacije u kojima je voda nukleofil.[1] U posebnom slučaju hidrolize soli, to je reakcija jona sa vodom (uglavnom se stvara kisela ili bazna sredina). Hidroliza je posebna grana solvolize.[2][3]

Generički mehanizam za hidrološku reakciju

Biološka hidroliza je cepanje biomolekula, gde se molekul vode troši da bi se izvršilo razdvajanje većeg molekula na sastavne delove. Kada se ugljeni hidrat hidrolizom razloži na sastavne molekule šećera (npr. saharoza se razlaže na glukozu i fruktozu), to se prepoznaje kao saharifikacija.[4]

Reakcije hidrolize mogu biti reverzne reakcijama kondenzacije u kojima se dva molekula spajaju u jedan veći i oslobađa se molekul vode. Tako hidroliza dodaje vodu da se razgradi, dok se kondenzacija odvija uklanjanjem vode.[5]

Tipovi uredi

Obično je hidroliza hemijski proces u kome se supstanci dodaje molekul vode. Ponekad ovaj dodatak uzrokuje da se supstanca i molekul vode podele na dva dela. U takvim reakcijama, jedan fragment ciljnog molekula (ili roditeljskog molekula) dobija jon vodonika. Hidrolizom se razlaže hemijska veza u jedinjenju.

Soli uredi

Uobičajena vrsta hidrolize se javlja kada se so slabe kiseline ili slabe baze (ili oboje) rastvori u vodi. Voda se spontano jonizuje u hidroksidne anjone i hidronijum katone. So se takođe disocira na sastavne anjone i katjone. Na primer, natrijum acetat se u vodi disocira na natrijumske i acetatne jone. Joni natrijuma reaguju vrlo malo sa hidroksidnim jonima, dok se acetatni joni kombinuju sa hidronijum jonima da bi proizveli sirćetnu kiselinu. U ovom slučaju neto rezultat je relativni višak hidroksidnih jona, čime se dobija bazni rastvor.

Jake kiseline takođe prolaze kroz hidrolizu. Na primer, rastvaranje sumporne kiseline (H2SO4) u vodi je praćeno hidrolizom da bi se dobili hidronijum i bisulfat, konjugovana baza sumporne kiseline. Za više tehničkih rasprava o tome šta se dešava tokom takve hidrolize, pogledajte Brensted-Laurijevu teoriju kiselina i baza.

Estri i amidi uredi

Hidrolize katalizovane kiselinama i bazama su veoma česte; jedan primer je hidroliza amida ili estara. Njihova hidroliza se dešava kada nukleofil (nukleus-tražeći agens, na primer voda ili hidroksilni jon) napadne ugljenik karbonilne grupe estra ili amida. U vodenoj bazi, hidroksilni joni su bolji nukleofili od polarnih molekula kao što je voda. U kiselinama, karbonilna grupa postaje protonisana, a to dovodi do mnogo lakšeg nukleofilnog napada. Proizvodi obe hidrolize su jedinjenja sa grupama karboksilne kiseline.

Možda najstariji komercijalno praktikovani primer hidrolize estra je saponifikacija (formiranje sapuna). To je hidroliza triglicerida (masti) sa vodenom bazom kao što je natrijum hidroksid (NaOH). Tokom procesa formira se glicerol, a masne kiseline reaguju sa bazom, pretvarajući ih u soli. Ove soli se nazivaju sapuni, koji se obično koriste u domaćinstvima.

Pored toga, u živim sistemima, većina biohemijskih reakcija (uključujući hidrolizu ATP) odvija se tokom katalize enzima. Katalitičko dejstvo enzima omogućava hidrolizu proteina, masti, ulja i ugljenih hidrata. Kao primer, mogu se uzeti u obzir proteaze (enzimi koji pomažu varenje izazivajući hidrolizu peptidnih veza u proteinima). Oni katalizuju hidrolizu unutrašnjih peptidnih veza u peptidnim lancima, za razliku od egzopeptidaza (druga klasa enzima, koji katalizuju hidrolizu terminalnih peptidnih veza, oslobađajući jednu po jednu slobodnu amino kiselinu).

Međutim, proteaze ne katalizuju hidrolizu svih vrsta proteina. Njihovo delovanje je stereo-selektivno: ciljani su samo proteini sa određenom tercijarnom strukturom, jer je potrebna neka vrsta orijentacione sile da bi se amidna grupa postavila u odgovarajući položaj za katalizu. Neophodni kontakti između enzima i njegovih supstrata (proteina) nastaju, jer se enzim savija tako da formira otvor u koji se supstrat uklapa; taj otvor takođe sadrži katalitičke grupe. Prema tome, proteini koji se ne uklapaju u otvor neće biti podvrgnuti hidrolizi. Ova specifičnost čuva integritet drugih proteina kao što su hormoni, i stoga biološki sistem nastavlja da funkcioniše normalno.

 
Mehanizam kiselinski katalizovane hidrolize amida.

Nakon hidrolize, amid se pretvara u karboksilnu kiselinu i amin ili amonijak (koji se u prisustvu kiseline odmah pretvaraju u amonijumove soli). Jedna od dve grupe kiseonika na karboksilnoj kiselini je izvedena iz molekula vode, a amin (ili amonijak) dobija jon vodonika. Hidrolizom peptida dobijaju se aminokiseline.

Mnogi poliamidni polimeri kao što je nilon 6,6 hidrolizuju se u prisustvu jakih kiselina. Proces dovodi do depolimerizacije. Iz tog razloga nilonski proizvodi se razgrađuju kada su izloženi malim količinama kisele vode. Poliesteri su takođe podložni sličnim reakcijama degradacije polimera. Problem je poznat kao pucanje pod stresom okoline.

ATP uredi

Hidroliza je povezana sa energetskim metabolizmom i skladištenjem.[6][7] Sve žive ćelije zahtevaju kontinuirano snabdevanje energijom za dve glavne svrhe: biosintezu mikro i makromolekula i aktivni transport jona i molekula kroz ćelijske membrane. Energija dobijena oksidacijom hranljivih materija se ne koristi direktno, već se putem složenog i dugog niza reakcija kanališe u poseban molekul za skladištenje energije, adenozin trifosfat (ATP). ATP molekul sadrži pirofosfatne veze (veze nastale kombinovanjem dve fosfatne jedinice) koje oslobađaju energiju kada je to potrebno. ATP se može podvrgnuti hidrolizi na dva načina: Prvo, uklanjanje terminalnog fosfata da bi se formirao adenozin difosfat (ADP) i neorganski fosfat, uz reakciju:

ATP + H
2O → ADP + Pi

Drugo, uklanjanje terminalnog difosfata da bi se dobio adenozin monofosfat (AMP) i pirofosfat. Ovaj drugi se obično dalje cepa na svoja dva konstitutivna fosfata. Ovo rezultira reakcijama biosinteze, koje se obično dešavaju u lancima, koji se mogu pokrenuti u pravcu sinteze kada su fosfatne veze podvrgnute hidrolizi.

Polisaharidi uredi

 
Saharoza.[8] Glikozidna veza je predstavljena centralnim atomom kiseonika, koji drži dve monosaharidne jedinice zajedno.

Monosaharidi se mogu međusobno povezati glikozidnim vezama, koje se mogu odvojiti hidrolizom. Dva, tri, nekoliko ili više tako povezanih monosaharida formiraju disaharide, trisaharide, oligosaharide, odnosno polisaharide. Enzimi koji hidrolizuju glikozidne veze nazivaju se „glikozidne hidrolaze” ili „glikozidaze”.

Najpoznatiji disaharid je saharoza (stoni šećer). Hidroliza saharoze daje glukozu i fruktozu. Invertaza je saharaza koja se industrijski koristi za hidrolizu saharoze u takozvani invertni šećer. Laktaza je neophodna za digestivnu hidrolizu laktoze u mleku; mnogi odrasli ljudi ne proizvode laktazu i ne mogu da svare laktozu u mleku.

Hidroliza polisaharida do rastvorljivih šećera može se prepoznati kao saharifikacija.[4] Slad napravljen od ječma se koristi kao izvor β-amilaze za razlaganje skroba u disaharid maltozu, koju kvasac može koristiti za proizvodnju piva.[9][10] Drugi amilazni enzimi mogu pretvoriti skrob u glukozu ili oligosaharide. Celuloza se prvo hidrolizuje u celobiozu pomoću celulaze, a zatim se celobioza dalje hidrolizuje u glukozu pomoću beta-glukozidaze.[11][12][13][14][15][16]Preživari kao što krave imaju sposobnost da hidrolizuju celulozu u celobiozu, a zatim u glukozu zbog simbiotskih bakterija koje proizvode celulaze.

Metalni akva joni uredi

Glavni članak: Metalni joni u vodenom rastvoru

Joni metala su Luisove kiseline i u vodenom rastvoru formiraju metalne akva komplekse opšte formule M(H2O)nm+.[17][18] Akva joni podležu hidrolizi, u većoj ili manjoj meri. Prvi korak hidrolize je uopšteno dat kao

M(H2O)nm+ + H2O ⇌ M(H2O)n−1(OH)(m−1)+ + H3O+

Prema tome, vodeni katjoni se ponašaju kao kiseline u smislu Brensted-Laurijeve teorije kiselina i baza.[19][20] Ovaj efekat se lako objašnjava uzimanjem u obzir induktivnog efekta pozitivno naelektrisanog metalnog jona, koji slabi O-H vezu vezanog molekula vode, čineći oslobađanje protona relativno lakim.

Konstanta disocijacije, pKa, za ovu reakciju je više ili manje linearno povezana sa odnosom naelektrisanja i veličine jona metala.[21] Joni sa malim naelektrisanjem, kao što je Na+ su veoma slabe kiseline sa skoro neprimetnom hidrolizom. Veliki dvovalentni joni kao što su Ca2+, Zn2+, Sn2+ i Pb2+ imaju pKa od 6 ili više i obično se ne bi klasifikovali kao kiseline, ali mali dvovalentni joni, kao što je Be2+, prolaze kroz opsežnu hidrolizu. Trovalentni joni poput Al3+ i Fe3+ su slabe kiseline čiji je pKa uporediv sa sirćetnom kiselinom. Rastvori soli kao što su BeCl2 ili Al(NO3)3 u vodi su primetno kiseli; hidroliza se može potisnuti dodavanjem kiseline kao što je azotna kiselina, čineći rastvor kiselijim.

Hidroliza se može nastaviti dalje od prvog koraka, često sa formiranjem polinuklearnih vrsta putem procesa olacije.[21] Neke „egzotične“ vrste kao što je Sn3(OH)42+[22] su dobro okarakterisane. Hidroliza ima tendenciju da se odvija kako pH raste što, u mnogim slučajevima, dovodi do taloženja hidroksida kao što je Al(OH)3 ili AlO(OH). Ove supstance, glavni sastojci boksita, poznate su kao lateriti i formiraju se ispiranjem iz stena većine jona osim aluminijuma i gvožđa i naknadnom hidrolizom preostalog aluminijuma i gvožđa.

Reakcije hidrolize uredi

Obično se reakcija hidrolize odvija po opštem šablonu:

A-B + H2O → A-H + B-OH

mada postoji mogućnost i za složenije mehanizme te reakcije, npr.

A-B + 2 H2O → A-OH + B-OH + H2

koje se odigravaju u gasovitoj fazi pri visokim temperaturama, ili u uslovima elektrolize

Hidroliza je suprotan proces od hidrolitičke kondenzacije - tj. reakcije spajanja dva ili više molekula sa izdvajanjem molekula vode.[23]

Mnoge reakcije hidrolize su povratne, pri čemu smer reakcije zavisi od njenih uslova:

Npr. hidroliza estara:

RCOOR' + H2O → RCOOH + R'OH

zahteva dodavanje određene količine vode u reakcioni sistem; ukoliko nema dovoljno vode nastaje reakcija kondenzacije tek nastale kiseline (RCOOH) i alkohola (OH), koja je u stvari ista kao i prethodna samo suprotnog smera[23]:

RCOOH + R'OH → RCOOR' + H2O

Reakcija hidrolize nije isto što i Elektrolitička disocijacija.

Disocijacija se zasniva na raspadu molekula pod dejstvom rastvarača (rastvarač može biti i voda) ali bez građenja kovalentnih veza sa njim, dok se hidratacija zasniva na stvaranju kompleksnih jedinjenja sa vodom vezanih vodoničnom vezom.

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ IUPAC. „Hydrolysis”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).IUPAC. „Solvolysis”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
  2. ^ IUPAC. „solvolysis”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
  3. ^ Hou, Ching T.; Shaw, Jei-Fu (2009). „Chapter 5. Non-Catalytic Alcoholysis of Vegetable Oils for Production of Biodiesel Fuel”. Biocatalysis and bioenergy. Hoboken, N.J.: John Wiley. str. 107—114. ISBN 9780470385869. 
  4. ^ a b „Definition of Saccharification”. www.merriam-webster.com (na jeziku: engleski). Arhivirano iz originala 7. 1. 2021. g. Pristupljeno 8. 9. 2020. 
  5. ^ Steane, Richard. „Condensation and Hydrolysis”. www.biotopics.co.uk. Arhivirano iz originala 2020-11-27. g. Pristupljeno 2020-11-13. 
  6. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., p. 522–523.
  7. ^ Hardie, D. G., Ross, F. A., Hawley, S. A (2012). AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nature, 13, 251–262. Accessed 9 April 2017.
  8. ^ Ryan KJ, Ray CG, ur. (2004). Sherris Medical Microbiology (4th izd.). McGraw Hill. ISBN 978-0-8385-8529-0. 
  9. ^ Evan Evans (2011). The Oxford Companion to Beer. Oxford University Press. str. 236. ISBN 9780195367133. Arhivirano iz originala 23. 12. 2019. g. 
  10. ^ Chris Boulton (20. 5. 2013). Encyclopaedia of Brewing. John Wiley & Sons. str. 111. ISBN 9781118598122. Arhivirano iz originala 21. 5. 2016. g. 
  11. ^ Chinchetru, M.A., Cabezas, J.A. and Calvo, P. (1989). „Purification and characterization of a broad specificity β-glucosidase from sheep liver”. Int. J. Biochem. 21: 469—476. PMID 2503402. 
  12. ^ Conchie, J. (1954). „β-Glucosidase from rumen liquor. Preparation, assay and kinetics of action”. Biochem. J. 58: 552—560. PMID 13230003. 
  13. ^ Dahlqvist, A. (1961). „Pig intestinal β-glucosidase activities. I. Relation to β-galactosidase (lactase)”. Biochim. Biophys. Acta. 50: 55—61. PMID 13719334. 
  14. ^ Heyworth, R. & Walker, P.G. (1962). „Almond-emulsin β-D-glucosidase and β-D-galactosidase”. Biochem. J. 83: 331—335. PMID 13907157. 
  15. ^ Larner, J. (1960). „Other glucosidases”. Ur.: Boyer, P.D., Lardy, H.; Myrb; auml; ck, K. The Enzymes. 4 (2nd izd.). New York: Academic Press. str. 369—378. 
  16. ^ Sano, K., Amemura, A. and Harada, T. (1975). „Purification and properties of a β-1,6-glucosidase from Flavobacterium”. Biochim. Biophys. Acta. 377: 410—420. PMID 235305. 
  17. ^ Burgess, John (1978). Metal Ions in Solution. Chichester: Ellis Horwood. ISBN 978-0853120278. 
  18. ^ Richens, D. T. (1997). The Chemistry of Aqua Ions: Synthesis, Structure, and Reactivity: A Tour through the Periodic Table of the Elements. Wiley. ISBN 0-471-97058-1. 
  19. ^ Brönsted, J. N. (1923). „Einige Bemerkungen über den Begriff der Säuren und Basen” [Some observations about the concept of acids and bases]. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. 42 (8): 718—728. doi:10.1002/recl.19230420815. 
  20. ^ Lowry, T. M. (1923). „The uniqueness of hydrogen”. Journal of the Society of Chemical Industry. 42 (3): 43—47. doi:10.1002/jctb.5000420302. 
  21. ^ a b Baes, Charles F.; Mesmer, Robert E. (1976). The Hydrolysis of Cations. New York: Wiley. ISBN 9780471039853. 
  22. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. str. 384. ISBN 0080379419. 
  23. ^ a b McMurry John E. (1992). Fundamentals of Organic Chemistry (3rd izd.). Belmont: Wadsworth. ISBN 0-534-16218-5. 

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi

 
Hidroliza na Vikimedijinoj ostavi.


Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Хидролиза&oldid=27183281”